wcs01 Introduction to Wireless and Mobile Networks.

Mobile vs. Wireless
-Wireless Communication System: คือ อุปกรณ์สื่อสารพวกอิเล็คทรอนิคส์ ที่ใช้การสื่อสารแบบไม่ต้องใช้สายต่อ แต่ใช้การสื่อสารผ่านช่องทางตามธรรมชาติ เช่น อากาศ, น้ำ , โลก เป็นต้น
-Mobile และ Wireless นั้นไม่เหมือนกันซะทีเดียวจึงใช้แทนกันไม่ได้ ดังการเปรียบเทียบต่อไปนี้


รูปที่ 1 การเปรียบเทียบระหว่าง Wireless และ Mobile
- Mobile wireless communication systems เน้นที่ การสื่อสารผ่านอากาศด้วยคลื่นวิทยุและสนับสนุนการทำงานที่สามารถเคลื่อนที่ได้

คำถามข้อ 1 พิจารณาว่าพวกไร้สายเหล่านี้ต่างจากระบบมีสายอย่างไร
ตอบ
ด้านสื่อที่ส่งข้อมูลผ่าน
wireless - สื่อสารผ่านคลื่นวิทยุ
wired - สื่อสารผ่าน data cable ส่วนมากบนพื้นฐาน Ethernet
ด้านการเคลื่อนที่
wireless เหมาะกับสภาพการทำงานที่เคลื่อนที่ได้เพราะไม่ยึดติดกับสาย
ติดตั้งง่าย สามารถขยายได้ง่าย เพราะไม่ต้องซื้อสายเคเบิ้ลและเสียเวลาเดินสาย
ด้านความปลอดภัย
Wireless ต้องระวังเรื่อง ความปลอดภัย และระยะการใช้งานของแบตเตอร์รี่

Wireless Issues
-สื่อสารโดยใช้อากาศเป็นสื่อ : คุณภาพต่ำ: เสียงอาจเลือน, ไม่ชัด, สภาพอากาศอาจไม่ดี, และอื่นๆ อีกมากมาย ทั้งต้องคำนึงเรื่อง data rate และ ความปลอดภัยของข้อมูล
-ต้องทำตามข้อบังคับของรัฐบาล ทั้งคลื่นความถี่ที่ใช้ , สิทธิต่างๆ เป็นต้น
-bcandwidth ถูกจำกัด เช่น ต้องใช้ bit rate ต่ำ, ต้องวางแผนการใช้ความถี่ และ ใช้ซ้ำกัน, มีคลื่นแทรก
-เรื่องพลังงานที่ใช้(สำคัญ)ต้องพิจารณาถึงระดับ power ปกติที่ใช้ได้ , ปรับปรุงอายุการใช้งานของแบบเตอร์รี่ในโมบายล์
-ประเด็นความปลอดภัย เพราะว่า wireless ใช้การกระจายเสียงเป็นสื่อ (อาจมีคนดูดได้ค่ะ)
ประเด็นการเคลื่อนที่
-ประเภทของการเคลื่อนที่
ผู้ใช้เคลื่อนที่ : ผู้ใช้สามารถติดต่อระบบเครือข่ายได้ตลอดขณะเคลื่อนที่ และจับได้ทุกจุดไม่ว่าจะเคลื่อนที่ไปที่ไหน ขณะนั้นๆ ต้องรับสายเรียกเข้าหรือสารสนเทศต่างๆ ได้
การบริการเคลื่อนที่ : การบริการนั้นต้องติดตามผู้ใช้ได้ จำเป็นต้องมีการรับรองและมียริการติดตามผู้ใช้ไป
-องศาการเคลื่อนที่
ตามระยะทางภูมิศาสตร์ เช่นระยะจากบ้าน/อพาร์ทเมนท์ไปตามที่ต่างๆ
ความเร็ว : ตั้งแต่อยู่กับที่ที่จนถึงรถไฟความเร็วสูง หรือ แบบโทรศัพท์ไร้สายในบ้าน เทียบกับ โทรศัพท์มือถือ
ดังนั้น mobility คือ เครื่องรับส่งที่เคลื่อนที่ได้ นั่นเอง

เครือข่ายไร้สาย
-Wireless Wide Area Networks (WWANs)
--เครือข่ายมือถือ เช่น GSM, cdmaone (IS-95), UMTS, cdma2000 EVDO
--เครือข่ายดาวเทียม เช่น Iridium, Globalstar, GPS, etc.
--Wireless Metro Area Networks (WLANs) เช่น IEEE 802.16 WIMAX
-Wireless Local Area Networks (WLANs) เช่น IEEE 802.11 ,a ,b, g, etc. (infrastructure, ad hoc, sensor)
-Wireless Personal Area Networks (WPANs) เช่น IEEE 802.15 (Bluetooth), IrDa, Zigbee, etc.

ตารางแสดงคุณสมบัติของเครือข่ายไร้สาย

รูปที่ 2 ตารางแสดงคุณสมบัติของเครือข่ายไร้สาย
ความถี่ของการสื่อสาร
รูปที่ 3 ความถี่สำหรับการสื่อสาร
แถบคลื่นความถี่วิทยุ
รูปที่ 4 Radio Frequency Bands (ดู WLANs ครับพี่น้อง)

Licensed Vs. Unlicensed
Licensed จำเป็นต้องซื้อเพื่อให้ได้สิทธิ์ในรใช้ระยะคลื่นที่ใช้เฉพาะตามที่ตั้งทางภูมิศาสตร์จากรัฐบาล (เช่น คลื่นวิทยุ AM/FM),ป้องกันคลื่นแทรก, ช่วยควบคุมคุณภาพคลื่น
Unlicensed ใครใช้ก็ได้ (เช่น ISM band for WLANs) แต่ต้องรู้เรื่องคลื่นอย่างถูกต้อง (ต้องรักษาระดับกำลังที่สูงและป้องกันความถี่รั่ว และอื่นๆ), อาจมีคลื่นแทรกบ้าง
เปรียบเทียบ Licensed Vs. Unlicensed
Licensed การันตีว่าเข้าได้แน่นอน, คุณภาพและการรักษาความปลอดภัยดีกว่า, เข้าถึงยาก
Unlicensed อาจหลุดบ้าง, คุณภาพและการรักษาความปลอดภัยไม่แน่นอน, ใครๆก็เข้าได้

Frequency Allocations
รูปที่ 5 Frequency Allocations
Moblie Phone Systems
-เหมาะกับการสื่อสารกับผู้ใช้ที่ต้องเคลื่อนที่โดยสื่อสารผ่านช่องวิทยูไร้สาย
-เครื่องมีการเติบโตทางเทคนิคเร็วที่สุดเท่าที่เคยมีมา ยี่ห้อโนเกียขายได้มากกว่า 120 ล้านเครื่องเมื่อปีที่แล้ว, เครื่องไร้สายมีจำนวนมากกว่าเครื่องที่ใช้สายมาก
-มีหลายมาตรฐานและหลายระบบ อาทิ
-- Analog 1G: NMT, AMPS, TACS
-- Digital 2G: GSM, IS-95b (cdmaone)
-- 3G : UNTS, cdma2000
-ขอบเขตการให้บริการ การครอบคลุมพื้นที่มีการขยายอย่างรวดเร็ว อาทิ
-- SMS, WebPhones, MMS, laptop data, etc.
-- ขณะนี้เรื่อง "ข้อมูลไร้สาย" และความรู้เรื่องพื้นที่ให้บริการ นั้นน่าสนใจ
Cellular Network Architecture
-Cell คือ พื้นที่ที่ครอบคลุม 1 สถานีวิทยุ
-Cellular Systems คือ บริการไร้สายที่ครอบคลุมพื้นที่ตามภูมิศาสตร์ด้วยเซตของ cell ที่ซ้อนทับกันเล็กน้อย
โดยใช้เซตของสถานีวิทยุกำลังต่ำให้บริการครอบคลุมพื้นที่นั้น ซึ่งแต่ละ cell แตกต่างกันในเรื่องเซตของความถี่ หรือรหัส ที่พร้อมให้มือถือเครื่องหนึ่งจาก cell หนึ่งติดต่อกับ cell อื่นๆ ได้ โดยตรวจสอบจาก สายเรียกเข้า ดังรูป

รูปที่ 6 Callular Neywork Architecture 1

รูปที่ 7 Callular Neywork Architecture 2
Mobile Terminal
ตัวอย่างเช่น ลองหยิบมือถือตัวเองขึ้นมาดูนะ
2.5/3G/WLAN Mobile Devices
-หน้าจอที่สามารถทำงานได้มากกว่าเล่นอินเตอร์เน็ต คือ กว้าง และ เป็นจอสี
-ซับซ้อนมากขึ้น สามารถรองรับแอพพลิเคชั่น ใหม่ๆ ได้ เช่น เสียง, video telephony, browser, เกมผ่านเว็บ,e-postcards, Location-based services,Streaming Applications.
-I/O modes/interfaces ต่างๆ เช่น คีย์แพด,เครื่องรู้จำเสียง, เครื่องรู้จำลักษณะท่าทาง, ปากกา input
Base Stations (BS)
หาช่องทางวิทยุระหว่างมือถือกับเครือข่าย
Pico-cells: (ในร่ม-0-.5 กม.) มี 8-20 ช่องสัญญาณ
micro-cells: (กลางแจ้ง -0-1 กม.)
macro-cells: (1-30 กม.)
Base Transceiver Station (BTS) - ที่ตั้งหน่วยวิทยุ
Base Station Controller (BSC) - จัดการกลุ่มของ BS, การจัดการช่องสัญญาณ,handoff,ควบคุมกำลังส่ง,สับเปลี่ยนสัญญาณ เป็นต้น
Mobile Switching Center
Mobile Switching Center (MSC) (MTSO) ประเด็นคือ
-หน้าที่สับเปลี่ยน, หาพิกัดที่อยู่, บริการโทร, handoff, จัดการกับ HLR,VLR, AUC เป็นต้น
-ขนาดของสำนักงานส่วนกลาง
HLR/VLR
Home Location Register (HLR)
-เซิร์ฟเวอร์ฐานข้อมูลเฉพาะที่เก็บข้อมูลบิล, ข้อมูลบริการและสถานที่ที่มีผู้ใช้มือถือ (คิดเป็นหนึ่งคนต่อหนึ่งผู้ให้บริการ หรือ หนึ่งต่อหนึ่งส่วนของประเทศ)
-Visitor Location Register (VLR) คล้ายกับ HLR ทำหน้าที่เก็บสถานที่ของผู้ใช้และข้อมูลการบริการของผู้ใช้ทั้งหมดใน metro type area (1 ต่อ MSC)
Wireless MANS
-Wireless Metropolitan Area Network (WMAN)
ต่ออุปกรณ์ไร้สายกับบริการ DSL หรือ Cable modem หรือ FTH สำหรับติดต่อบอร์ดแบนด์ระยะทางเป็นไมล์ ใช้โปรโตคอลแบบ point to multipoint ขยายไปถึงการใช้งานที่ต้องเคลื่อนที่และการส่งข้อมูลด้วยอัตราเร็วที่สูงขึ้น ใช้มาตรฐาน IEEE 802.16 โดยมี WiMAX (Wireless Microwave Access) สำหรับใช้สื่อสารทั่วโลก
**จุดเด่นคือรองรับได้ทั้ง licensed และ unlicensed spectrum ได้เปรียบเรื่อง : ต้นทุน,ความซับซ้อนและใช้ขณะเคลื่อนที่ได้ดี ดูสถาปัตยกรรม WiMAX ได้ที่หน้า 22
-ลองดูคำอธิบายที่หน้า 23 ดังนี้
-เริ่มจาก NLOS (Non Line-of-Sight) มีอัตราการส่งต่ำประมาณ 32 Mbps ส่วน LOS ที่ตั้งเสาตรงจากดาดฟ้าหรือตั้งเสาไปที่หอ WiMAX สามารถใช้อัตราการส่งข้อมูลที่สูงกว่าได้ประมาณ 75 Mbps
-กรณี Point to Point - เสาอากาศ LOS ส่ง data rate ได้สูงด้วยระยะทาง 30-40 ไมล์เหมาะกับการส่งข้อมูลกลับประมาณ 100 Mbps
-โปรโตคอล MAC Layer มีบริการ QoS ภายในโดยเฉพาะ
WiMAX Application
WiMAX นั้นสนับสนุน Application 5 Classes
1.Multi-Layer Interactive Gaming
2.VOIP and Video Conference
3.Streaming Media
4.Web Browsing and Instant Messaging
5.Media Content Downloads
ต้องมีสัก 3 อย่างเป็นพื้น
Wireless LANs
-Wireless Local Area Networks สนับสนุนการสื่อสารที่ผู้ใช้ข้อมูลมีการเคลื่อนที่ผ่านช่องสัญญาณไร้สาย
ประเภทของ WLAN
1.Infrastructure based (นิยทสูงสุด)
ช่วยให้ผู้ใช้ติดต่อกับเครือข่ายมีสาย ตัวอย่างของ Wireless Access Network เช่น ระบบโทรศัพท์มือถือ
2.Ad-Hoc Based networks
ทำการสื่อสารแบบ peer-to-peer สำหรับการสื่อสารแบบเคลื่อนที่ได้ระหว่างแต่ละอุปกรณ์โดยตรง สามารถติตั้งได้เร็ว (เหมาะกับห้องประชุม)มาตรฐานที่ใช้เช่น Bluetooth, IEEE 802.11,a,b,g
3.Point-to-Point นำมาใช้แทนสายเคเบิ้ล
WLAN Components
อุปกรณ์ไร้สายในภาพนั้นเป็นอุปกรณ์ที่เกี่ยวข้องกับการติดต่อ เช่น Access Points , antennas, mobile stations
มีมากกว่า 300 บริษัทที่ทำอุปกรณ์เหล่านี้ หรือลองดูที่ www.wirelessethernet.org
IEEE 802.11 Terminology
-Access Point(AP) ช่วยให้เข้าถึงบริการโดยผ่านสื่อไร้สาย
-Basic Service Area (BSA)ให้บริการครอบคลุมพื้นที่ 1 AP
-Basic Service Set(BSS) เซตของสถานี mobile ที่ถูกควบคุมโดย 1AP
-Distribution System เป็นโครงสายแบบมีสาย (อยู่กับที่) ถูกใช้ติดต่อกับ BSS 1 ชุดเพื่อสร้าง Extended Service Set (ESS)
WLAN Topologies
1. Ad-hoc based Architecture
2. Point-to-Point
3. Infrastructure based architecture

Ad Hoc Networks
ในภาษาละตินนั้น ad hoc หมายถึง "เพื่อจุดประสงค์เฉพาะอย่าง" ส่วนเครือข่าย "Ad-hoc เป็น LAN หรือ เครือข่ายเล็กๆ ที่เชื่อมต่อแบบไร้สาย โดยบางเครื่องอาจอยู่ในเครือข่ายเพียงสื่อสารช่วงเวลาสั้นๆ หรือ กรณีที่เคลื่อนที่ และอาจมีโหมดปิดในช่วงพักได้ด้วย ดูภาพหน้า 30 จ้า

เหตุใดต้องใช้เครือข่าย ad hoc
เพราะมีประโยชน์เมื่อมีโครงสร้างไม่แน่นอน หรือใช้แบบโครงสร้างไม่ได้ หรือถ้าใช้แบบมีสายแพงเกินไป
เทคนิคนี้ใช้กับ ระบบเครือข่ายอุปกรณ์เคลื่อนที่,ใช้กับสินค้าฮาร์ดแวร์ไร้สาย ที่ต้องการเพิ่ม ประสิทธิภาพโดยที่ราคาไม่แพง
หรือใช้เทคนิคนี้ตามความต้องการของตลาด เช่นการประชุมผ่านมือถือ ,เครือข่ายในบ้าน,บริการฉุกเฉิน,การสมัครเข้าทหาร,เมื่อเกิดภัยธรรมชาติ, ACENET หรือ Taxi-cab network

SENSOR NETWORKS ARCHITECTURE
ดูรูปหน้า 32 ประกอบ จะเห็นเครื่อง cellular,internet,sattlelite,UAV sink กับแต่ละเครือข่ายและมีส่วนของ task manager ด้วย
Sensor Network นั้นภาษาไทยเรียก เครือข่ายตรวจจับ สามารถรองรับได้ทีละหลายพันเครื่อง ซึ่งสามารถอยู่ห่างกันได้ถึง 10 ฟุต โดยสามารถมีควาวมหนาแน่นได้ถึง 20 โหนดต่อตารางเมตรทีเดียว

SENSOR NETWORKS
ถือว่าเป็นเครือข่ายไร้สายเฉพาะทางที่รวมข้อมูลจากระบบนั้นๆ ซึ่งปกติแล้ว ตัวเซ็นเซอร์ จะไม่เคลื่อนที่
-แอพพลิเคชัน เช่นด้านการทหาร,สิ่งแวดล้อม,สุขภาพ,บ้าน,การสำรวจอวกาศ,การประมวลผลทางเคมี,การบรรเทาสาธารณภัย
-ประเภทของการตรวจจับ เช่น แผ่นดินไหว,Low Sampling Rate Magnetic, อุณหภูมิ, Visual ,อินฟราเรด,เสียงสะท้อน,เรดาร์
-งานตรวจจับ เช่น การตรวจจับอุณหภูมิ,ความชื้น,การจราจร,ความสว่าง,ความดัน,ดิน,ระดับเสียง,การมีอยู่ของวัตถุต่างๆ,ระดับความเครียดของเครื่องจักร,และสภาพการณ์ปัจจุบัน (เช่น ความเร็ว,ทิศทาง,ขนาด)

ตัวอย่าง SENSOR NETWORKS
ตรวจสภาพการณ์ของสะพานโกลเด้นเกท โดยมีส่วน data acquisition จากสะพานแล้วเก็บ data collection เข้า monitoring server โดยเครื่องนี้จะทำหน้าที่ประมวลผลและรับส่ง feedback

ตัวอย่าง SENSOR Challenges
-ควรมีต้นทุนต่ำ
-คำนึงถึงเรื่องการเก็บข้อมูล โดยต้องแข็งแรงทนทาน สามารถรับส่งข้อมูลจำนวนมากได้ในระดับที่น่าเชื่อถือ,Time Synchronization,Power Efficiency,Security
-คำนึงเรื่องการประมวลผลสัญญาณและการพิสูจน์หลักฐานของตัวตรวจจับข้อมูลด้วย
-ขาดมาตรฐานของ ฮาร์ดแวร์ ซอฟต์แวร์ และโปรโตคอล

Wireless Personal Area Network
-เกิดจากโครงการ BodyLAN ที่ริเริ่มโดย BBN ในทศวรรษ 1990
-Networking "personal" devices เช่น ตัวตรวจจับ,กล้อง,คอมพิวเตอร์ขนาดพกพา,และอื่นๆ ที่อยู่ในระยะ 5 ฟุตรอบตัว
-ปัจจุบันนี้สามารถถ่ายข้อมูลจาก กล้องดิจิตอล ไปที่โทรศัพท์มือถือ ไปสู่ PDAs สู่ Laptops สู่เครื่องพิมพ์ และอีกมากมาย
-แอพพลิเคชันที่เป็นที่นิยมส่วนใหญ่ คือ handsfree headset to cellphone
-ตามมาตรฐาน IEEE 802.15 ของบลูทูธ นั้นใช้ได้ทั่วไปเพื่อ unlicense users ใช้กำลังต่ำ อัตราส่งข้อมูลปานกลางประมาณ 100 kbps

Applications of WPANs
(a) มาแทนที่สายเคเบิ้ล
(b) ใช้การเชื่อมต่อแบบ Ad hoc
(c) ใช้เข้าถึงเครือข่ายมีสาย เช่น พวก PSTN หรือ Internet ?

Example Network Architecture ดูรูปหน้า 38

Mobile Application
-บริการไร้สายนั้นดี แต่จำเป็นต้องใช้ networked application ด้วยโดยแอพพลิเคชั่นพื้นฐานเลยคือ Voice,data และ value added service
-เน้นที่ data based services และ data added applications เช่น
Mibile Internet/Intranet/Extranet access,
ความบันเทิงส่วนตัว เช่น วีดีโอ,ออดิโอ,เกม เป็นต้น
Multimedia Message Service (MMS)
Location Based Services (LBS)
Rish Voice
-ธีม มีทั้งแบบ Multi-mode (multi-media) service และแบบ Communication and Identity

Example: Expert on Call
ช่างที่ไร้ประสบการณ์ในชองที่ 1 "อืม มีบางอย่างที่ไม่ปกติ ลองดูดีกว่า ชั้นคิดว่าน่าจะทำงานได้
ช่างที่มีประสบการณ์จะบอกว่า "นั่นไม่ถูกนะ ลอง scan ไปซ้ายก่อนชั้นจะบอกให้หยุดก่อนเมื่อมันมาทางขวา"
ปิดท้ายด้วย Streaming Media,Real-time voice และ Best Effort Data Convergence เหมาะกับเทคโนโลยี 3G

Sample Multimodal Applications
-สารสนเทศด้านการท่องเที่ยว -สั่งจองด้วยเสียง ตอบกลับด้วยเท็กซ์
-ทิศทาง - สอบถามด้วยเสียง ตอบกลับเป็นเท็กซ์ แล้วอัพเดตขณะเดินทางด้วยเสียง หรือ SMS
-One-to-many messaging บันทึกข้อความเป็นเสียงหรือตัวอักษร ส่งข้อความด้วยเสียง SMS หรือ อีเมล์
-Location Based Service รายชื่อร้านกาแฟใกล้บ้าน รายชื่อเพื่อนบ้าน หรือ ระยะทางที่ใกล้สถานที่ X ที่สุด

Challenge
-Wireless Network Issues เช่น Coverage,Bandwidth,Latency,Reliability,Cost,Device and Network Heterogeneity และ Security

Wireless Advantages and Disadvantages
เหมือนเทคโนโลยีใหม่อื่นๆ การสื่อสารไร้สายก็มีทั้งข้อดีและข้อเสียเช่นกัน
ข้อดีของเครือข่ายไร้สาย
การเคลื่อนที่
-เคลื่อนที่ได้ โดยปราศจากสาย
-หลายบริษัทสามารถพัฒนาความสามารถของการใช้งานที่เคลื่อนที่ได้
-เพื่อให้กลุ่มผู้ทำงานสามารถใช้งานทรัพยากรในเครือข่ายได้

ติดตั้งง่ายและไม่แพง
-การติดตั้งเครือข่ายสายเคเบิ้ลตามอาคารเก่านั้นเป็นงานที่ใช้ต้นทุนสูง ทำได้ยาก และใช้เวลาติดตั้งนาน
-ส่วนเครือข่ายไร้สายนั้นสร้างขึ้นได้ง่ายกว่า สามารถดัดแปลงเป็นห้องย่อยๆ หรือเพิ่มเฟอร์นิเจอร์ได้ง่ายกว่า

เพิ่มความน่าเชื่อถือ
-ที่เครือข่ายแบบเคเบิ้ลล้มเหลวนั้นส่วนใหญ่เกิดจากทรัพยากรเครือข่ายมีปัญหา

Disaster Recovery
-เมื่อเกิดภัยพิบัติ ผู้จัดการสามารถย้ายออฟฟิตได้อย่างรวดเร็ว

ข้อเสียของเครือข่ายไร้สาย
คลื่นวิทยุแทรก-ความต่างศักย์ของทั้งสองขั้วทำให้เกิดคลื่นแทรกได้ตลอด
ความปลอดภัย-เป็นไปได้ที่จะมีการจ้องบุกรุกเครือข่ายจากภายนอกโน๊ตบุ้คและ wireless NIC

Reference : Wireless# Guide to Wireless Communications Second Edition By: Jorge Olenewa and Mark Ciampa